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2023-11-21T12:40:57Z

Optische Sensoren

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Ein '''Sauerstoffsensor''' ist ein Gerät zur Ermittlung von [[Konzentration (Chemie)|Konzentrationen]] von gasförmigem oder gelöstem [[Sauerstoff]] O2. Zu den wichtigsten Einsatzbereichen gehören Sauerstoffsensoren für die Bestimmung in [[Atemluft]], aber auch die Kontrolle der Vorgänge in [[Kläranlage]]n oder bei der Kraftstoffverbrennung in Motoren.

Die Bestimmung von Sauerstoffkonzentrationen wird auch [[Oxymetrie|Oximetrie]] genannt. Ein Sauerstoffsensor ist also ein Gerät zur automatischen und oft auch kontinuierlichen Oximetrie.
Im Blut kann Sauerstoff zwar wie in Wasser als gelöstes O2 auftreten, es wird aber auch an [[Hämoglobin]] gebunden und in dieser gebundenen Form vom Blut transportiert. Bei der [[Pulsoxymetrie|Pulsoximetrie]] wird der Anteil des Hämoglobins gemessen, der mit O2 beladen ist, wobei die unterschiedliche Färbung der verschiedenen Hämoglobinformen ausgenutzt wird.

== Funktionsprinzipien ==
Es gibt mehrere Funktionsprinzipien, die für Sauerstoffsensoren verwendet werden.
Besonders wichtig sind
* amperometrische Sensoren, also die Messung einer Stromstärke einer [[Galvanische Zelle|galvanischen Zelle]], wobei Sauerstoff an einer [[Kathode]] umgesetzt wird und dadurch zu einem Strom führt.
** mit festem [[Elektrolyt]]en, siehe [[galvanischer Sauerstoffsensor]].
** mit flüssigem Elektrolyten, siehe [[Clark-Elektrode|Clark-Sensor]].
* Widerstandssensoren, bei denen sich ein elektrischer Widerstand, zum Beispiel eines [[Halbleiter]]oxides, ändert
* [[Paramagnetismus|Paramagnetische]] Sensoren: Sauerstoff ist ein paramagnetisches Gas (siehe [[Magnetische Suszeptibilität]]). Es kann sich in einem Magnetfeld ausrichten und wird dann von einem ausreichend starken Magneten angezogen. Der Effekt ist von der Sauerstoffkonzentration abhängig und verschwindet bei höheren Temperaturen.
* optische Sensoren:
** Absorptionssensoren, die die Lichtabsorption durch Sauerstoff benutzen, bevorzugt bei 760 nm.
** Optische Sensoren, die die [[Fluoreszenz]] nutzen, die durch Sauerstoff gelöscht werden kann ([[Fluoreszenzlöschung|Fluoreszenzquencher]])

== Clark-Sensoren ==

Der [[Clark-Elektrode|Clark-Sensor]] wurde vom amerikanischen Biochemiker [[Leland Clark|Leland C. Clark]] 1954 entwickelt und gehört damit zu den ältesten Sauerstoffsensoren.<ref>{{Literatur |Autor=L. C. Clark, R. Wolf, D. Granger, Z. Taylor |Titel=Continuous recording of blood oxygen tensions by polarography |Sammelwerk=Journal of Applied Physiology |Band=6 |Nummer=3 |Datum=1953-09 |ISSN=0021-8987 |Seiten=189–193 |DOI=10.1152/jappl.1953.6.3.189 |PMID=13096460}}</ref> Ursprünglich war er insbesondere dazu gedacht, den Blutsauerstoffgehalt zu messen, doch dieser Art von Sauerstoffsensoren kann zur Bestimmung von Sauerstoff in vielen verschiedenen Lösungen, zum Beispiel Aquarienwasser oder auch Abwasser, genutzt werden. Typisch für diesen Sensortyp ist die [[Membrantechnik|Membran]], die die Messzelle vom zu untersuchenden Messwasser trennt. Ursprünglich hatte Clark eine [[Platin]]kathode und eine [[Silber]]anode in [[chlor]]idhaltiger Lösung verwendet, wobei die Reaktion zu [[Silberchlorid]] führt. Eine wichtige Variante verwendet einen alkalischen Elektrolyten und eine [[Blei]]anode (Gesamtreaktion: 2 Pb + O2 → 2 PbO).

== Nernstsonde/Lambdasonde ==
[[Datei:ZirkoniumLambdasonde.svg|mini|hochkant|Planare Nernstzelle/Lambdasonde, schematisch]]

Die [[Lambdasonde#Funktion der Nernstsonde/Spannungssprungsonde|Lambdasonde]] dient zur Bestimmung des Restsauerstoffs in Abgasen (häufig Motorenabgasen) so wie zur Kontrolle und Optimierung von Verbrennungsprozessen beziehungsweise deren Wirkungsgrad. Neben den Fahrzeugmotoren sind generell auch andere Verbrennungsprozesse z. B. in [[Müllverbrennung]], [[Kohlekraftwerk]]en aber auch Stahlhütten Einsatzort solcher Sensoren. Viele Lambdasonden sind als Nernstsonden aufgebaut und nutzen als Membran einen festen, keramischen, Sauerstoffionen leitenden Elektrolyten (meist aus [[Zirconium(IV)-oxid|Zirconiumoxid]]), wobei an der Membran eine Spannung entsteht, die in Abhängigkeit zum Unterschied des Sauerstoffgehalts der Gase auf beiden Seiten (Abgas/Luft) steht, der gemessen wird.

== Paramagnetische Sensoren ==
Der Sensor basiert auf der paramagnetischen Eigenschaft von Sauerstoff, wodurch sich Sauerstoff in einem Magnetfeld anziehen bzw. beschleunigen lässt. Bei höheren Temperaturen (≈ 300 °C) verliert Sauerstoff seine paramagnetischen Eigenschaften.

Im Sensor kommt es zu einer sich einstellenden Gaszirkulation, bei der das Gas durch einen Heizdraht (300 °C) aufgeheizt und an den Wänden wieder abgekühlt wird. Bei Anwesenheit von Sauerstoff werden die O2-Moleküle durch den Magneten zum Heizdraht hin beschleunigt, wo sie ihre magnetische Eigenschaft verlieren. So entsteht eine zusätzliche Strömung, deren Intensität vom Sauerstoffgehalt abhängt. Die Strömung kühlt den Heizdraht zusätzlich ab, was zu einer Widerstandsänderung führt, die mit Hilfe einer Brückenschaltung erfasst werden kann.

== Widerstandssonde ==
Das Sensorelement einer [[Lambdasonde#Funktion der Widerstandssprungsonde|Widerstandssonde]] besteht aus einer halbleitenden [[Titandioxid]]keramik. Die Ladungsträger werden durch Sauerstofffehlstellen, die als [[Dotierung|Donatoren]] wirken, zur Verfügung gestellt. Bei umgebendem Sauerstoff werden die Fehlstellen besetzt und reduzieren die Zahl der freien Ladungsträger. Die Sauerstoffionen tragen hier nicht wesentlich zur Leitfähigkeit bei, jedoch reduziert der Sauerstoff die Zahl der freien Ladungsträger. Bei hoher Sauerstoffkonzentration hat das Sensormaterial einen großen Widerstand.
Die [[elektrische Leitfähigkeit]] σ im Arbeitsbereich wird beschrieben durch eine [[Arrhenius-Gleichung]] mit einer [[Aktivierungsenergie]] EA:
::<math>\sigma=A\cdot e^{-\frac{E_A}{k\cdot T}}\cdot p(O)^{-1/4}</math>
Das Signal wird durch einen [[Spannungsteiler]] mit einem festen [[Elektrischer Widerstand|Widerstand]] erzeugt.

== Optische Sensoren ==

Ein optischer Sensor für Sauerstoff (O2) (auch Sauerstoff-[[Optrode]] genannt) detektiert unter Verwendung eines chemischen Energiewandlers die Sauerstoffkonzentration in Flüssigkeiten oder Gasen.
Ein optischer O2-Sensor besteht aus einer inerten Polymermatrix mit eingebetteten Fluoreszenzfarbstoffmolekülen ([[Fluorophor]]), die mit Sauerstoff reagieren können, einer Lichtquelle wie z. B. einer Diode zur Anregung des Farbstoffs und einem Detektor zur Messung des emittierten Lichts z. B. einer Photodiode mit Filter.

Ist kein O2 in der Probe vorhanden, absorbiert der Fluoreszenzfarbstoff das Anregungslicht, steigt auf ein höheres Energieniveau und emittiert beim Absinken auf das ursprüngliche Niveau zeitverzögert Licht einer längeren Wellenlänge (energieärmer), welches vom Detektor erfasst wird.
Ist O2 in der Probe vorhanden, wird ein Teil der Energie auf Sauerstoffmoleküle übertragen und weniger Licht emittiert ([[Quenching-Effekt]]). Je mehr O2 in der Probe vorhanden ist, desto weniger Licht gelangt zum Detektor.
Bei geeigneter Wahl von Luminophor und Wellenlänge des anregenden Lichtes ist sowohl die Intensität als auch das zeitliche Abklingverhalten der Lumineszenzstrahlung abhängig vom [[Sauerstoffpartialdruck]] in der Probe.
Durch die Wahl der verschiedener Polymermatrizes und unterschiedlicher Fluoreszenzfarbstoffe lassen sich die Sensoreigenschaften hinsichtlich der Empfindlichkeit in bestimmten Messbereichen beeinflussen.
Im Vergleich zu den amperometrischen Sauerstoffsensoren bieten optische Sauerstoffsensoren einige Vorteile:
Sauerstoffoptroden verbrauchen während der Messung keinen Sauerstoff und beeinflussen somit insbesondere bei geringen Sauerstoffkonzentrationen die Messung nicht.<ref>{{Literatur |Autor=M. Holtappels, L. Tiano, T. Kalvelage, G. Lavik, N. P. Revsbech, M. M. Kuypers |Titel=Aquatic Respiration Rate Measurements at Low Oxygen Concentrations |Band=9 |Nummer=2 |Datum=2014-02 |DOI=10.1371/journal.pone.0089369 |PMID=24586724}}</ref> Während bei amperometrischen Sauerstoffsensoren regelmäßig die Membran, der Elektrolyt und die Elektroden zur Beibehaltung der Funktion ausgetauscht werden müssen, sind die optischen Sensoren besonders wartungsarm.<ref>{{Literatur |Autor=J. Friedrich, A. Langin, K. Kümmerer |Titel=Comparison of an Electrochemical and Luminescence-Based Oxygen Measuring System for Use in the Biodegradability Testing According to Closed Bottle Test (OECD 301D). |Sammelwerk=Clean Soil Air Water |Band=41 |Nummer=3 |Datum=2013-03 |Seiten=251–257 |DOI=10.1002/clen.201100558}}</ref> Außerdem ermöglichen sie eine kontaktfreie Messung durch eine transparente Gefäßwandung hindurch, was Anwendungen, in denen Kontaminationen vermieden werden müssen, erleichtert.

== Anwendung ==
In der Medizin und der klinischen Forschung ist die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Gewebe wichtig. Die ältesten Sensoren waren [[Polarografie|polarographische]] Nadelsysteme, Eppendorf genannt.<ref name="Kmiec19">{{Literatur |Autor=Maciej M. Kmiec, Huagang Hou, M. Lakshmi Kuppusamy, Thomas M. Drews, Anjali M. Prabhat |Titel=Transcutaneous oxygen measurement in humans using a paramagnetic skin adhesive film |Sammelwerk=Magnetic Resonance in Medicine |Band=81 |Nummer=2 |Datum=2019-02 |ISSN=0740-3194 |Seiten=781–794 |DOI=10.1002/mrm.27445 |PMC=6289671 |PMID=30277275}}</ref> Später wurden andere Sensoren entwickelt, die auf den Prinzipien [[Fluoreszenz]]-[[Quenching-Effekt|Quentching]], [[Phosphoreszenz]]-Quentching, Nah-[[Infrarotspektroskopie|Infrarot]]-Absorption und [[Magnetresonanzspektroskopie|Magnetresonanz]] beruhen.<ref>{{Literatur |Autor=Philip Bickler, John Feiner, Mark Rollins, Lingzhong Meng |Titel=Tissue Oximetry and Clinical Outcomes |Sammelwerk=Anesthesia and Analgesia |Band=124 |Nummer=1 |Datum=2017-01 |ISSN=1526-7598 |Seiten=72–82 |DOI=10.1213/ANE.0000000000001348 |PMID=27308951}}</ref>

Um Sauerstoffmessungen ohne Nadel durchführen zu können, wurden perkutane [[Messsystem]]e (Englisch: Transcutaneous oxygen monitoring, TcOM) entwickelt.<ref name="Kmiec19" /> Diese beruhen auf dem Prinzip der Polarographie. Einsatzgebiete sind zum Beispiel periphere Durchblutungsstörungen, bei denen über eine Amputation entschieden werden muss.<ref>{{Literatur |Autor=Judith Catella, Anne Long, Lucia Mazzolai |Titel=What Is Currently the Role of TcPO2 in the Choice of the Amputation Level of Lower Limbs? A Comprehensive Review |Sammelwerk=Journal of Clinical Medicine |Band=10 |Nummer=7 |Datum=2021-04-01 |ISSN=2077-0383 |Seiten=1413 |Online=https://www.mdpi.com/2077-0383/10/7/1413 |Abruf=2021-11-17 |DOI=10.3390/jcm10071413 |PMC=8037184 |PMID=33915838}}</ref> Auch bei der Intensivüberwachung Neugeborener, insbesondere nach Frühgeburten, hat die perkutane Sauerstoffmessung eine große Bedeutung.<ref>{{Literatur |Autor=Willem van Weteringen, Tanja van Essen, Norani H. Gangaram-Panday, Tom G. Goos, Rogier C.J. de Jonge |Titel=Validation of a New Transcutaneous tcPO2/tcPCO2 Sensor with an Optical Oxygen Measurement in Preterm Neonates |Sammelwerk=Neonatology |Band=117 |Nummer=5 |Datum=2020 |ISSN=1661-7800 |Seiten=628–636 |DOI=10.1159/000510659}}</ref>

== Quellen ==
<references />

[[Kategorie:Sensor]]
[[Kategorie:Chemisches Messgerät]]

Sauerstoffsensor - Versionsgeschichte

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